第八章生物能学及生物氧化.ppt

第八章生物能学及生物氧化 主要内容 一 有关热力学的一些基本概念二 自由能的概念三 化学反应中自由能的变化和意义四 生物体的能流和能量产生的三个阶段五 生物氧化的概念六 呼吸链七 氧化磷酸化 一 有关热力学的一些基本概念 体系 环境 状态 能的两种形式 热与功 热力学第一定律和内能 internalenergy 焓 enthalpy 热力学第二定律和熵 entropy 自由能 freeenergy 二 自由能 freeenergy 物理意义 体系中能对环境作功的能量 自由能的变化能预示某一过程能否自发进行 即 G0 反应不能自发进行 G 0 反应处于平衡状态 自由能的概念对于研究生物化学过程的力能学具有很重要的意义 生物体用于作功的能量正是体内化学反应释放的自由能 生物氧化释放的能量也正是为有机体利用的自由能 它不仅可以用来判断机体内某一过程能否自发进行 而且还可以利用自由能这个函数来计算反应的其它有用参数 三 化学反应中自由能的变化和意义 1 化学反应的自由能变化的基本公式 H T S2 化学反应自由能变化与平衡常数和电势的关系3 偶联化学反应 G 变化的可加性4 能量学用于生物化学反应中的一些规定 化学反应自由能的变化和平衡常数的关系 假设有一个化学反应式 aA bB cC dD恒温恒压下 G G RTlnQc式中 G RTlnKeq 例 计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化 G 某一化学反应随参加化学反应物质的浓度 发生化学反应的pH和温度而改变的自由能变化 Qc 浓度商 G 标准条件 T 298OK 大气压为1atm 反应物和生成物浓度为1mol L pH 7 0 下 化学反应自由能的变化 Keq 平衡常数 化学反应自由能的变化和氧化 还原电势的关系 氧化 还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下 G nF E 任何一个氧化 还原反应 在理论上都可以构建成一个原电池 氧化 还原物质连在一起 都可以有氧化 还原电势产生 任何氧还电对都有其特定的标准电势原 E0 电池的标准电动势可用下式计算 0 E0 E0正极 E0负极 生物体内的氧化还原物质在进行氧化 还原反应时 基本原理和原电池一样 例 计算NADH氧化反应的 G 氧化 还原反应自由能的变化与标准电势的关系如下 0 E0 RT nF lnKeq 2 3 RT nF lgKeq 原电池示意图 E0 E0正极 E0负极 0 34V 0 76V 1 10V 负极反应 Zn Zn2 2eE0Zn2 Zn 0 76V 正极反应 Cu Cu2 2eE0Cu2 Cu 0 34V 计算磷酸葡萄糖异构酶反应的自由能变化 达平衡时 Keq 19 解 G RTlnKeq 2 303 8 314 311 log19 7 6KJ mol 1 G G RTlnQc Qc 浓度商 7 6 2 303 8 314 311 log0 1 13 6KJ MOL 1 未达平衡时 Qc 0 1 反应G 1 P G 6 P在380C达到平衡时 G 1 P占5 G 6 P占95 求 G0 如果反应未达到平衡 设 G 1 P 0 01mol L G 6 P 0 001mol L 求反应的 G 是多少 例题 例题 计算下反应式 G NADH H 1 2O2 NAD H2O正极反应 1 2O2 2H 2e H2OE 0 82负极反应 NAD H 2e NADHE 0 3 G nF E 2 96485 0 82 0 32 220KJ mol 1 3 偶联化学反应 G 变化的可加性 在偶联的化学反应中 各反应的标准自由能变化是可以相加的 例 A B C G 20 92KJ mol B D G 33 47KJ mol则A C D G 12 55KJ mol 该规则表明一个在热力学上不利的反应 可以与热力学有利的反应偶联进行 即可以被热力学有利的反应所驱动而进行 这在生物化学反应中是很多的 4 能量学用于生物化学反应中的一些规定 1 在稀的水溶液系统中 如果有水作为反应物或产物时 水的浓度 近似的即活度 为1 0 2 生物体标准状况的pH规定为7 0 3 G 是pH为7 0时的标准状况下的的标准自由能 4 根据国际单位制 LeSystemeinternationalUnut 简称SI单位 热和能量的单位用焦耳 摩尔 Joules mol 生物系统中的能流 ADP 脂肪 葡萄糖 其它单糖 三羧酸循环 电子传递 氧化 蛋白质 脂肪酸 甘油 多糖 氨基酸 乙酰CoA e 磷酸化 Pi 小分子化合物分解成共同的中间产物 如丙酮酸 乙酰CoA等 共同中间物进入三羧酸循环 氧化脱下的氢由电子传递链传递生成H2O 释放出大量能量 其中一部分通过磷酸化储存在ATP中 大分子降解成基本结构单位 生物体内能量产生的三个阶段 高能化合物 一 高能化合物的类型二 ATP的特点及其特殊作用 生化反应中 在水解时或基团转移反应中可释放出大量自由能 21千焦 摩尔 的化合物称为高能化合物 高能化合物类型 ATP的特点 在pH 7环境中 ATP分子中的三个磷酸基团完全解离成带4个负电荷的离子形式 ATP4 具有较大势能 加之水解产物稳定 因而水解自由能很大 G 30 5千焦 摩尔 ATP4 H2O ADP3 Pi2 H G 30 5kJ MOL 1 ATP3 H2O ADP2 Pi3 H G 33 1kJ MOL 1 ATP在能量转运中地位和作用 ATP是细胞内的 能量通货 ATP是细胞内磷酸基团转移的中间载体 生物氧化一 生物氧化的概念及其与物质代谢的关系 什么是生物氧化 Biologicaloxidation 生物氧化与体外氧化的异同 二 呼吸链 Respiratorychain 一 呼吸链的概念 二 呼吸链的组成和电子传递顺序 MH2 NAD NADP FMN FAD Fe S CoQ Cyt O2 Succinate Fumarate FAD ELECTRONCARRIERSANDREDOXPOTENTIAL 三 与呼吸链有关的酶和传递体 1 NAD P 连接的脱氢酶 2 黄酶 黄素蛋白Flavoproteins NADH脱氢酶 NADH Q还原酶 琥珀酸脱氢酶 琥珀酸 Q还原酶 3 铁硫蛋白类 Fe3 eFe2 4 CoQ 也称泛醌ubiquinone 4 CoQ 也称泛醌ubiquinone 5 细胞色素类 cytochromes Cyt是一类以铁卟啉为辅基的蛋白质 Fe3 eFe2 ComplexI NADHCoenzymeQreductase 2cofactors 1FMN 6 7Fe Scenters 2e transferred 4protonspumped Acceptse fromNADH NADHcanonlyparticipatein2e transferreactions ComplexII SuccinateCoenzymeQoxidoreductase succinatedehydrogenase HasFADandFe Scofactorsaselectroncarriers Succinate fumarate FAD FADH2 QH2 Q NoATPisgenerated butitgetselectronsfromFADH2intotheETC alsocytochromeb ComplexIII CoenzymeQ Cytochromecoxidoreductase Cytochromebc1complex Fe Scentre cytochromes Electroncarriers Cytochromeb Cytochromec1 Canonlyparticipateinsinglee transfers ComplexIV Cytochromecoxidase Fourredoxcenters Cytochromea Cytochromea3 Apairofcopperatoms theCuAcentre Acopperatom CuB 三 氧化磷酸化 Oxidativephosphorylation 一 线粒体的结构 二 氧化磷酸化 1 底物水平的磷酸化 2 呼吸链磷酸化 P O比值 NADH呼吸链P O 3 or2 5 FADH2呼吸链P O 2 or1 5 哪些部位可形成ATP 氧化磷酸化偶联的机理 A化学偶联 chemicalcoupling B 构象偶联 Conformational